有機固體廢物厭氧消化技術現(xiàn)狀研究及前景分析

摘?要：厭氧消化技術是有機固體廢物處理與資源化的重要渠道之一，能夠通過微生物的三階段厭氧分解，將廢物中的大分子有機物降解為小分子物質(zhì)，并產(chǎn)生可提供能源的沼氣。該技術可按固體濃度大小被分為低固體厭氧消化技術和高固體厭氧消化技術，前者應用范圍廣，但費用昂貴，后者的廣泛運用受技術限制，但能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益?？傮w而言，在妥善解決固體廢物的處置與管理問題后，厭氧消化技術可以有效地提高物質(zhì)的回收利用率，前景廣闊。

關鍵詞：厭氧消化技術;有機固體廢物;原理與工藝;現(xiàn)狀;前景

Research?on?Anaerobic?Digestion?Technology?of?Organic?Solid?Waste

and?Prospect?Analysis

Li?Ruyi

School?of?Environment?Tsinghua?University?Beijing?100084

Abstract：Anaerobic?digestion?technology?is?one?of?the?important?channels?for?the?treatment?and?recycling?of?organic?solid?waste.It?can?degrade?the?large?molecules?of?organic?matter?in?the?waste?into?small?molecules?through?the?threestage?anaerobic?decomposition?of?microorganisms，and?generate?biogas?that?can?provide?energy.The?technology?can?be?divided?into?low?solid?anaerobic?digestion?technology?and?high?solid?anaerobic?digestion?technology?according?to?the?solid?concentration，the?former?is?widely?used?but?expensive，while?the?latter?is?widely?used?but?can?produce?considerable?economic?benefits.In?general，after?the?disposal?and?management?of?solid?waste?is?properly?solved，anaerobic?digestion?technology?can?effectively?improve?the?material?recovery?efficiency?and?has?a?broad?prospect.

Keywords：Anaerobic?digestion?technology;organic?solid?waste;?principle?and?technology;?the?status?quo;?prospect

1?緒論

有機廢物厭氧消化處理技術歷史悠久[1]，人們在早期利用禽畜糞便和農(nóng)業(yè)廢物厭氧發(fā)酵，釋放甲烷用于產(chǎn)生熱能。20世紀中葉，全球對一次能源的需求量激增，煤、石油、天然氣等化石能源的價格瘋長。為解決供應問題，許多國家開始尋找新的替代能源，這使得厭氧消化處理有機廢物的優(yōu)勢越發(fā)突出[2]，需要重點關注厭氧消化技術的原理、工藝流程和技術方案以及評估其效益和應用前景。

2?厭氧消化原理

厭氧消化過程就是在一定的厭氧條件下，有機物質(zhì)被微生物分解，將碳素物質(zhì)轉化為兩種溫室氣體——二氧化碳和甲烷的過程。在這個過程中，底物的大部分能量仍然以有機物的形式儲存在沼氣中，只有一小部分的碳素氧化成了二氧化碳[3]，微生物借此發(fā)酵過程獲得生命活動所必需的物質(zhì)和能量。

2.1?厭氧消化產(chǎn)生沼氣的途徑

由于厭氧發(fā)酵的環(huán)境各有不同，涉及的微生物種類繁多，其中物質(zhì)的代謝、轉化與產(chǎn)生過程較為復雜，國內(nèi)外對此做了大量研究，但仍有許多技術性的問題亟待解決[4]。20世紀上半葉，在學術界中流行的是厭氧消化的二階段論，即粗略地將此復雜的過程分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個過程。半個世紀后，有科學家對二階段理論作了補充和修正，由此產(chǎn)生了更廣為人接受的三階段理論，強調(diào)了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌在此過程中的關鍵地位[5]。

厭氧消化反應的三階段理論可概括如下：第一階段，在無氧條件下，通過厭氧或兼性厭氧微生物將大分子有機物（如糖類、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)）轉化為小分子化合物的分解過程，以有利于微生物的吸收和利用。常通過微生物厭氧呼吸或發(fā)酵來實現(xiàn)。實現(xiàn)該分解過程需要先通過與好氧分解類似的消化作用，再通過發(fā)酵性細菌，產(chǎn)生脂肪酸、醇類等物質(zhì)。第二階段，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的作用下將第一階段產(chǎn)生的物質(zhì)進一步轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳。在第三階段中，產(chǎn)甲烷細菌將第二階段的產(chǎn)物轉化為甲烷，并產(chǎn)生能量[6]。厭氧消化反應的具體原理過程如下圖所示。

厭氧消化的生物化學原理圖

2.1.1?產(chǎn)酸發(fā)酵階段機理

產(chǎn)酸發(fā)酵階段的微生物將糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)通過生物降解作用轉化為穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，它們以有機脂肪酸為主。該過程的主要作用菌群包括芽孢桿菌、擬桿菌等嚴格厭氧菌，它們將糖類通過糖酵解途徑轉化為丙酮酸，進而產(chǎn)生各種有機含羰基的化合物;將氨基酸通過氧化還原脫氮反應，去除其中的氨基;對于脂肪酸，飽和脂肪酸直接或不飽和脂肪酸加氫后在β氧化反應鏈的作用下，依次脫去兩個碳原子，最終自發(fā)形成乙酸、丙酸等有機發(fā)酵產(chǎn)物[7]。在此以葡萄糖、丙氨酸和甘氨酸、十七碳脂肪酸為例說明生物降解過程：

2.1.2?產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段機理

第二階段的厭氧微生物將產(chǎn)酸發(fā)酵階段的產(chǎn)物轉化為更簡單的有機酸、氫氣和二氧化碳等物質(zhì)，其中較為常見的有機酸為乙酸。研究表明[8]，在標準條件下，乙醇、丁酸和丙酸不易被降解為丁酸，只有在能夠利用氫、系統(tǒng)中氫氣的分壓較低的前提下，吉布斯自由能才會變?yōu)樨撝担磻园l(fā)進行，這一過程離不開產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌及后一階段的產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用。此外，同型產(chǎn)乙酸菌可以將二氧化碳轉化為乙酸，并利用環(huán)境中的氫離子，上述反應的具體過程如下：

CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+H++HCO3-+3H2

HCO3-+4H2+H+→CH3COO-+H2O

2.1.3?產(chǎn)甲烷階段機理

在這一階段，絕對厭氧的產(chǎn)甲烷菌把產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的產(chǎn)物進一步轉化為甲烷和二氧化碳，這一步是厭氧消化反應的決速步，標志著有機固體廢物穩(wěn)定化的開始[1]。產(chǎn)甲烷菌的主要類群有索式甲烷絲菌、巴氏產(chǎn)甲烷八疊球菌等，它們能將利用乙酸、氫氣分別產(chǎn)生約70%和30%的甲烷[4]?；瘜W反應方程式如下：

利用乙酸：CH3COOH→CH4+CO2

利用H2和CO2：4H2+CO2→2CH4+2CO2

2.2?厭氧消化影響因素

上述三個厭氧發(fā)酵階段往往在同一反應器中進行，一個階段的產(chǎn)物可能被后一個階段所利用，三種類型的反應存在一定的動態(tài)平衡，影響著反應的速度和完成程度[9]，底物因素和環(huán)境因素都可能影響反應的進行。

2.2.1?底物因素

Kayhanian[10]的研究發(fā)現(xiàn)不同的底物組成最終生物可降解性有很大差異，因為厭氧生物處理系統(tǒng)中，微生物完成生長、代謝活動需要充足的碳、氮、磷等元素及水和無機鹽，如果營養(yǎng)物質(zhì)不足，三階段過程的反應的穩(wěn)定性和效率都有所降低。例如，在秸稈一類的微生物中，碳源由于纖維素的大量存在而十分豐富，而相對應的氮元素的含量較少，在補充氮源以達到合適的C/N比時，最終的沼氣產(chǎn)量可以提升65%[11]。

2.2.2?環(huán)境因素

影響厭氧消化過程的環(huán)境因素主要包括溫度和pH。三個階段的所有微生物都有一個最適于生命活動的溫度，在低于此溫度的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高生長速率逐漸上升，達到極大值后，生長速率又會隨溫度而下降。溫度通過影響反應速率常數(shù)和半飽和常數(shù)來間接影響反應的進程。Veeken等[12]通過測定35℃下固體廢物中六種組分的降解速率，計算得到了反應速率常數(shù)，并發(fā)現(xiàn)在20℃時該常數(shù)在0.03～015/d的范圍內(nèi)，而到40℃時提高了近2倍，而隨著溫度的升高，反應的半飽和常數(shù)降低幅度大，反應更容易達到平衡。與此同時，厭氧消化過程需要一個穩(wěn)定的pH范圍，產(chǎn)酸菌適宜的pH值范圍寬，在5～8.5的范圍內(nèi)均可生長，而產(chǎn)甲烷菌的適宜pH范圍較窄，僅在6.5～7.5之間[1314]，故為保證產(chǎn)氣過程的正常進行，反應體系的pH應該嚴格控制。

3?厭氧消化工業(yè)流程和技術方案

目前國內(nèi)外廣泛應用的厭氧消化處理工藝眾多，根據(jù)廢物中有機固體濃度的大小可以分為低固體厭氧消化技術和高固體厭氧消化技術;根據(jù)反應的級數(shù)可以分為單相厭氧消化工藝和兩相厭氧消化工藝，其中后者將厭氧消化過程單獨在兩個反應器中進行，為三階段的不同細菌種群提供了各自所需的適宜生長條件，推動了反應的高效、有序進行;根據(jù)運行的連續(xù)程度可以分為連續(xù)和間歇的厭氧消化工藝;根據(jù)厭氧消化微生物適宜的溫度范圍可以將其分為中溫和高溫消化[15]。在此重點介紹按固體濃度區(qū)分的低固體厭氧消化技術和高固體厭氧消化技術。

3.1?低固體厭氧消化技術

低固體厭氧消化技術的固體濃度小于等于4%～8%，應用的原料常常是人畜糞便、農(nóng)業(yè)廢物和生活垃圾[1]。在運用此項工藝時，固體廢物應先進行破碎，并加入適量的水進行稀釋，使得固體濃度滿足要求，并需要在后續(xù)處理中脫水[16]。按流程與步驟而言，在分揀及縮小粒徑后，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度、控制適宜的溫度和pH條件使反應進行，在產(chǎn)生一定量沼氣后將其收集和存儲，最后對污泥進行處置和分離。為保證廢物具有較高的黏度，低固體厭氧消化技術對設備有嚴格的要求，并需要及時補充氮元素和無機鹽，以保障小型生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，操作煩瑣且成本較高[17]。

3.2?高固體厭氧消化技術

高固體厭氧消化技術又稱干法厭氧消化工藝，即保持固體廢物的總固體含量大于22%，僅僅對固體濃度大于60%的物料才進行稀釋。與低固體厭氧消化技術相比，此項技術對物料的分揀要求不高，只需簡單篩去粒徑過大的固體顆粒，且不需要經(jīng)過污泥脫水和消化處置等工作。高固體厭氧消化技術比低固體厭氧消化技術有更高的有機負荷率，單位時間產(chǎn)生的甲烷量更大，但由于需要處理的固體濃度更高，此項技術需要選擇和衡量微生物的種類和數(shù)量、環(huán)境參數(shù)對產(chǎn)氣效率的影響。目前，由于技術的限制，國內(nèi)大規(guī)模的高固體厭氧消化工程較少，成熟的厭氧發(fā)酵工藝在國際上也應用不多，經(jīng)過文獻調(diào)研，典型的厭氧干發(fā)酵工藝可列舉如下表。

4?厭氧消化技術的前景展望

厭氧消化技術處理固體廢物發(fā)展前景廣大，其制約因素主要在發(fā)酵工藝和二次污染兩方面，為更好地發(fā)揮該技術的環(huán)保和經(jīng)濟效益，還應對技術做出調(diào)整。

4.1?發(fā)展現(xiàn)狀

厭氧消化技術作為充分利用生物質(zhì)能的關鍵技術之一，在處理工、農(nóng)廢水、餐廚垃圾、一般生活垃圾和市政污泥中發(fā)揮著重要的作用[2]。由于固體廢物不可避免地含有或攜帶有害物質(zhì)，具有資源可利用性和環(huán)境危害性的雙重屬性，如果不能得到回收利用、變廢為寶，將會對環(huán)境造成污染，威脅人體健康和社會穩(wěn)定，而通過厭氧消化處理的固體廢物，其有機物含量可降低30%～50%[1]，最終降低對環(huán)境的危害。因此，促進厭氧消化處理技術的廣泛應用對節(jié)約能源、保護環(huán)境都有著不可忽視的作用。

通過不同厭氧消化技術處理固體廢物，最終將其中的可回收物質(zhì)再利用，可以達到固體廢物的資源化、無害化和減量化處理，將垃圾變廢為寶，具有可觀的經(jīng)濟效益。孫艷的研究表明[21]，以我國的處理技術，每噸的城市生活垃圾可以產(chǎn)生100～150m3的沼氣。李玉春等對北京市2008年的生活垃圾及廚余垃圾進行估算，發(fā)現(xiàn)當年生活垃圾產(chǎn)量為673萬噸，而廚余垃圾約占五分之二。廚余垃圾有機物含量高、可供生物降解的物質(zhì)濃度高，與一般生活垃圾相比可產(chǎn)生更多的沼氣?？傮w而言，2008年北京市通過厭氧消化處理過程可以從生活及廚余垃圾中獲得近5億m3的沼氣，產(chǎn)生近8億kW·h的電。此外，該過程的污泥、污水等產(chǎn)物還可以作為肥料和飼料進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高了物質(zhì)的利用率。

然而，由于傳統(tǒng)的厭氧消化技術的處理過程是將垃圾直接堆放，而在漫長的處理周期中，固體廢物占地面積大、與土壤、空氣和水的接觸時間長，可能對環(huán)境介質(zhì)造成二次污染。研究表明，消化過程廢水中的COD和氨氮濃度高于微生物適宜生長的范圍，且容易累積重金屬，若將發(fā)酵產(chǎn)品作為商業(yè)化原料可能最終對人體健康造成不利影響[22]。為了防止上述不良后果的產(chǎn)生，我國還應改善垃圾的管理體制和優(yōu)化厭氧消化技術。

4.2?分析與建議

針對目前厭氧消化技術面臨的二次污染和發(fā)酵工藝問題，可以提出如下建議：

（1）根據(jù)固體廢物組成特性調(diào)整厭氧消化處理設備和工藝[23]。一些固體廢物種類如餐廚垃圾，其理化性質(zhì)可能會對環(huán)境造成更大的危害，而一般可回收垃圾更具環(huán)境友好性，對于不同的垃圾種類應使用不同處理設備和工藝，可以在產(chǎn)生沼氣的同時適當提高或降低減毒力度，從而保障產(chǎn)生污泥和污水的無害化。

（2）采用厭氧和好氧的組合工藝處理固體廢物中的有害物質(zhì)，提高沼氣的產(chǎn)生效率[24]。好氧分解是在有氧氣存在的條件下，由好氧生物將環(huán)境中的有機大分子化合物轉化為小分子物質(zhì)的分解過程，常通過微生物的好氧呼吸來實現(xiàn)。與厭氧分解相比，有機物的好氧分解的有機物降解速率快、更徹底，能量的利用率高，菌體的合成系數(shù)大、速率快，使得更大比例的物質(zhì)能轉化為菌體，因此可以更快速地降解污染物，產(chǎn)生更具價值的氣體。

（3）更合理和系統(tǒng)地配置厭氧消化的環(huán)境，調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)配比。資料表明[11]，可以利用控制磷元素在反應體系中的含量來達到污泥減量化的效果，而低濃度（0.2～0.4mmol/L）的硫酸鹽可以促進某些產(chǎn)甲烷細菌的生命活動。對于微量元素而言，增加鐵元素的投入量可以使某些產(chǎn)甲烷菌主導系統(tǒng)的污泥的產(chǎn)氣量翻倍，缺乏鋅、銅、錳等微量元素的厭氧消化系統(tǒng)無法產(chǎn)生甲烷氣體[11]。Lay等[14]指出產(chǎn)甲烷速率最高的pH范圍出現(xiàn)在中性偏堿性的范圍內(nèi)，因此控制反應條件十分關鍵。

5?結語

厭氧消化技術以資源化為導向，不僅可以有效降低廢物中可生物降解有機質(zhì)的濃度，也能使其中可回收利用的物質(zhì)轉化為沼氣以再利用。國內(nèi)外關于該項技術的基本原理、工藝流程和技術手段已有了眾多的研究，盡管面臨著二次污染等挑戰(zhàn)，在解決好固體廢物管理系統(tǒng)的確立和完善問題后，厭氧消化技術前景廣闊，產(chǎn)生了可觀的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

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作者簡介：李如意（2000—?），女，漢族，四川德陽人，本科，學生，研究方向：環(huán)境工程。